S31803雙相不銹鋼管對接接頭焊接工藝參數(shù)研究

 浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了S31803雙相不銹鋼管采用手工電弧焊在不同焊接工藝參數(shù)下對接接頭的力學(xué)性能和金相組織。結(jié)果表明：用手工電弧焊焊接S31803雙相不銹鋼管的焊接工藝參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，其對接接頭的力學(xué)性能和金相組織滿足要求。

 S31803(2205)是用途最為廣泛的雙相不銹鋼之一，因其優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在石油天然氣輸送、海洋工程、化學(xué)工業(yè)、發(fā)電行業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。焊接作為一種重要的材料加工手段，對雙相不銹鋼的發(fā)展及應(yīng)用有著舉足輕重的作用。雙相不銹鋼管焊接的最大特點(diǎn)是焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織的影響。無論是焊縫或焊接HAZ都有重要的相變發(fā)生，因此對焊件的性能，如塑性核耐腐蝕性能都等有很大影響。焊接的關(guān)鍵是要使焊縫金屬和焊接HAZ均保持有適量的鐵素體和奧氏體組織。其中焊接參數(shù)對焊縫金屬和焊接HAZ的影響十分關(guān)鍵。至德鋼業(yè)通過對S31803雙相不銹鋼管對接接頭采用手工電弧焊在不同焊接參數(shù)下獲得的接頭力學(xué)性能和金相組織進(jìn)行研究，以期為雙相不銹鋼管在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

一、實(shí)驗材料和焊接工藝

 1. 實(shí)驗材料

  本實(shí)驗?zāi)覆臑镾31803雙相不銹鋼管，厚度10mm，鋼管為浙江至德鋼業(yè)有限公司生產(chǎn)，焊條為E2209，規(guī)格Φ4.0，采用瑞典SANDVIK生產(chǎn)的焊接材料；板材、焊材的化學(xué)成分見表。S31803雙相不銹鋼管在常溫下的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度σb≥620 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥450MPa，延伸率δ≥25%，硬度HB≤293（或HV≤308）。本實(shí)驗用母材的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度σb=755MPa，屈服強(qiáng)度σs=575MPa，延伸率δ=35%，硬度HB=225。

 2. 焊接工藝

  本實(shí)驗試板的規(guī)格為：400 mm×125 mm×10mm。焊接方法為手工電弧焊，焊接設(shè)備用ZX7-500S逆變直流弧焊機(jī)進(jìn)行接頭試樣焊接。焊接接頭如圖所示。焊接前用丙酮對焊接區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格清洗，焊接后接頭不進(jìn)行熱處理。為保證焊透并考慮到焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織的影響，采用多層焊，這樣在進(jìn)行每層焊接的同時又對上一層焊道起到熱處理作用，可在一定程度上促進(jìn)接頭熱影響區(qū)中的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變。為了避免脆性相的析出，層間溫度應(yīng)控制在150℃以下，以減少焊接時在脆性溫度區(qū)間停留的時間。具體焊接工藝參數(shù)見表。由表可知，在采用的幾組焊接工藝參數(shù)中，線能量相差不大且在焊接過程中，焊接電流為120 A或170 A時，由于電流偏小或偏大，不易操作。

二、實(shí)驗結(jié)果及分析

 1. 無損檢測

 本次焊接實(shí)驗共選取5組焊接工藝參數(shù)分別進(jìn)行試板的焊接，按照J(rèn)B/T4730.2-2005射線檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%RT檢測，試樣無裂紋、未焊透、氣孔等缺陷，試樣均為合格。

 2. 力學(xué)性能測試及分析

  a. 拉伸試驗

  按照J(rèn)B4708-2000標(biāo)準(zhǔn)從接頭部位截取試樣進(jìn)行拉伸試驗。在5塊焊接試板上分別取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗，抗拉強(qiáng)度(MPa)分別為：745、735、745、735、780，5組試板抗拉強(qiáng)度相近，且其焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置均在熱影響區(qū)，說明這5組焊接工藝參數(shù)焊接的接頭都滿足了強(qiáng)度要求。由于在焊接熱循環(huán)下焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的不均勻性，由鐵素體轉(zhuǎn)變生成的奧氏體含量小于50%，其強(qiáng)度不及焊縫、母材組織，斷裂必然發(fā)生在熱影響區(qū)。

  b. 彎曲試驗

  按照J(rèn)B4708-2000標(biāo)準(zhǔn)從接頭部位截取試樣進(jìn)行彎曲試驗。5組彎曲試驗結(jié)果表明：5組焊接試板接頭的彎曲性能均滿足要求。

  c. 沖擊試驗

  沖擊試驗按照ASTM A923B-08雙相不銹鋼組織分類的沖擊試驗進(jìn)行并進(jìn)行了側(cè)向膨脹量的檢測。沖擊試樣為V型缺口，試樣尺寸(mm)為55×10×7.5，試驗溫度為-40℃。具體沖擊試驗結(jié)果見表。由表可看出，5組焊接實(shí)驗接頭的焊縫和熱影響區(qū)沖擊功均滿足要求。

 d. 點(diǎn)腐蝕試驗

 點(diǎn)腐蝕試驗按照ASTM A923C-08雙相不銹鋼組織分類的氯化高鐵腐蝕試驗進(jìn)行。具體點(diǎn)腐蝕試驗結(jié)果見表。由表得出，5組焊接實(shí)驗接頭的點(diǎn)腐蝕性能均符合要求。由表數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，第1組和第5組腐蝕率平均值較其他三組腐蝕率偏高。

 e. 硬度測定

 利用TH110型里氏硬度計對5組焊接接頭進(jìn)行檢測，測量方法為在母材、焊縫、熱影響區(qū)左右兩側(cè)分別進(jìn)行測量，每處測量3點(diǎn)，然后計算其平均值。

 3. 焊接接頭微觀組織

  a. 金相組織

 金相組織按照ASTM A923A-08雙相不銹鋼的腐蝕組織的氫氧化鈉腐蝕試驗方法進(jìn)行焊接接頭的微觀組織分析。具體檢測步驟：(1)用MP-2A型磨拋機(jī)對試樣進(jìn)行打磨。(2)用P-2型金相試樣拋光機(jī)對試樣進(jìn)行拋光。(3)利用電解腐蝕裝置對試樣進(jìn)行腐蝕（腐蝕液：40g的氫氧化鈉溶于100g水中；腐蝕電壓：1.5V；腐蝕時間15~25秒）；(4)用4XC型金相顯微鏡對試樣微觀組織進(jìn)行觀察和分析。經(jīng)過對微觀組織觀察分析，5組焊接接頭母材、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)均無有害相?，F(xiàn)以第3組焊接接頭組織為例，其母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)微觀組織見圖。通過圖母材組織圖可以看出，奧氏體和鐵素體基本呈均勻分布，這是S31803雙相不銹鋼管具有優(yōu)良力學(xué)性能和耐腐蝕性能的關(guān)鍵；由圖熱影響區(qū)圖和圖焊縫區(qū)組織圖可以看出，奧氏體和鐵素體均為交錯分布，因此其接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能均滿足要求。

 b. 相比例分析

 S31803(2205)雙相不銹鋼管具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，比奧氏體及鐵素體有更好的耐腐蝕性，特別是其耐氯離子腐蝕性能，最主要的原因在于其特殊的相結(jié)構(gòu)和相比例，所以焊接接頭中的相比例是衡量焊接質(zhì)量最主要的指標(biāo)之一。理想的雙相不銹鋼組織應(yīng)為鐵素體和奧氏體各占50%，實(shí)際上每種材料的相含量在30%~60%之間都屬正常。采用鐵素體儀對試樣鐵素體進(jìn)行測量，測定結(jié)果見表。由表可以看出，5組焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的鐵素體含量均在30%~60%之間。從表中鐵素體含量可計算出：奧氏體含量均在40%~70%之間。接頭中焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的相比例是接頭保持較高的力學(xué)性能和耐腐蝕性能的關(guān)鍵。

三、結(jié)論

 采用手工電弧焊焊接S31803雙相不銹鋼管，選擇合適的焊接工藝參數(shù)是對接接頭保持良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能的重要因素。本文中的焊接工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)，其對接接頭的力學(xué)性能和金相組織均為滿足雙相不銹鋼管的要求。